The nuclear proteome is rich in stress-sensitive proteins, which suggests that effective protein quality control mechanisms are in place to ensure conformational maintenance. We investigated the role of the nucleolus in this process. In mammalian tissue culture cells under stress conditions, misfolded proteins entered the granular component (GC) phase of the nucleolus. Transient associations with nucleolar proteins such as NPM1 conferred low mobility to misfolded proteins within the liquid-like GC phase, avoiding irreversible aggregation. Refolding and extraction of proteins from the nucleolus during recovery from stress was Hsp70-dependent. The capacity of the nucleolus to store misfolded proteins was limited, and prolonged stress led to a transition of the nucleolar matrix from liquid-like to solid, with loss of reversibility and dysfunction in quality control. Thus, we suggest that the nucleolus has chaperone-like properties and can promote nuclear protein maintenance under stress.

Endocytosis and lysosomal trafficking of cell surface receptors can be triggered by interaction with endogenous ligands. Therapeutic approaches such as LYTAC1,2 and KineTAC3, have taken advantage of this to target specific proteins for degradation by fusing modified native ligands to target binding proteins. While powerful, these approaches can be limited by possible competition with the endogenous ligand(s), the requirement in some cases for chemical modification that limits genetic encodability and can complicate manufacturing, and more generally, there may not be natural ligands which stimulate endocytosis through a given receptor. Here we describe general protein design approaches for designing endocytosis triggering binding proteins (EndoTags) that overcome these challenges. We present EndoTags for the IGF-2R, ASGPR, Sortillin, and Transferrin receptors, and show that fusing these tags to proteins which bind to soluble or transmembrane protein leads to lysosomal trafficking and target degradation; as these receptors have different tissue distributions, the different EndoTags could enable targeting of degradation to different tissues. The modularity and genetic encodability of EndoTags enables AND gate control for higher specificity targeted degradation, and the localized secretion of degraders from engineered cells. The tunability and modularity of our genetically encodable EndoTags should contribute to deciphering the relationship between receptor engagement and cellular trafficking, and they have considerable therapeutic potential as targeted degradation inducers, signaling activators for endocytosis-dependent pathways, and cellular uptake inducers for targeted antibody drug and RNA conjugates.

Many growth factors and cytokines signal by binding to the extracellular domains of their receptors and driving association and transphosphorylation of the receptor intracellular tyrosine kinase domains, initiating downstream signaling cascades. To enable systematic exploration of how receptor valency and geometry affect signaling outcomes, we designed cyclic homo-oligomers with up to 8 subunits using repeat protein building blocks that can be modularly extended. By incorporating a de novo-designed fibroblast growth factor receptor (FGFR)-binding module into these scaffolds, we generated a series of synthetic signaling ligands that exhibit potent valency- and geometry-dependent Ca2+ release and mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway activation. The high specificity of the designed agonists reveals distinct roles for two FGFR splice variants in driving arterial endothelium and perivascular cell fates during early vascular development. Our designed modular assemblies should be broadly useful for unraveling the complexities of signaling in key developmental transitions and for developing future therapeutic applications.

While there has been progress in the de novo design of small globular miniproteins (50-65 residues) to bind to primarily concave regions of a target protein surface, computational design of minibinders to convex binding sites remains an outstanding challenge due to low level of overall shape complementarity. Here, we describe a general approach to generate computationally designed proteins which bind to convex target sites that employ geometrically matching concave scaffolds. We used this approach to design proteins binding to TGFβRII, CTLA-4 and PD-L1 which following experimental optimization have low nanomolar to picomolar affinities and potent biological activity. Co-crystal structures of the TGFβRII and CTLA-4 binders in complex with the receptors are in close agreement with the design models. Our approach provides a general route to generating very high affinity binders to convex protein target sites.

Abstract We present a novel way to enhance the information content of fluorescence imaging by encoding information in the microscope point-spread function (PSF). In contrast to methods that modify the shape of the PSF itself, our approach encodes the additional information via the creation of faithful copies of the original PSF. Our method is compatible with operation over a broad wavelength range, other PSF engineering modalities, and existing analysis tools. We demonstrate this approach by developing the ‘Circulator’, an optical add-on made of off-the-shelf components that encodes the emission band of the fluorophore into the PSF. The device creates four copies of the original PSF at well-defined relative orientations and positions, where the presence or intensity of each spot indicates the emission color of the fluorophore. Using this device, simultaneous multicolor super-resolution and single-molecule microscopy can be performed using the full field of view of a single camera, resulting in a pronounced increase in experimental throughput. We demonstrate our approach in simultaneous three-color super-resolution imaging with single-molecule localization microscopy (SMLM) and super-resolution optical fluctuation imaging (SOFI).

In single molecule localization-based super-resolution imaging, high labeling density or the desire for greater data collection speed can lead to clusters of overlapping emitter images in the raw super-resolution image data. We describe a Bayesian inference approach to multiple-emitter fitting that uses Reversible Jump Markov Chain Monte Carlo to identify and localize the emitters in dense regions of data. This formalism can take advantage of any prior information, such as emitter intensity and density. The output is both a posterior probability distribution of emitter locations that includes uncertainty in the number of emitters and the background structure, and a set of coordinates and uncertainties from the most probable model.

The Nuclear Pore Complex (NPC) is one of the largest and most complex protein assemblies in the cell and - among other functions - serves as the gatekeeper of nucleocytoplasmic transport. Unraveling its molecular architecture and functioning has been an active research topic for decades with recent cryogenic electron microscopy and super-resolution studies advancing our understanding of the NPC's complex architecture. However, the specific and direct visualization of single copies of NPC proteins and thus the ability to observe single-molecule heterogeneities of these complex structures is thus far elusive. Here, we combine genetically-encoded self-labeling enzymes such as SNAP-tag and HaloTag with DNA-PAINT microscopy. We employ the high localization precision in DNA-PAINT and molecular contrast of these protein tags to optically resolve single copies of nucleoporins in the human Y-complex in three dimensions with a precision of ~3 nm. This technological advancement now enables structural studies of multicomponent complexes on the level of single proteins in cells using optical fluorescence microscopy.

The most common procedure to reveal the location of specific (sub)cellular elements in biological samples is via immunostaining followed by optical imaging. This is typically performed with target-specific primary antibodies (1.Abs), which are revealed by fluorophore-conjugated secondary antibodies (2.Abs). However, at high resolution this methodology can induce a series of artifacts due to the large size of antibodies, their bivalency, and their polyclonality. Here we use STED and DNA-PAINT super-resolution microscopy or light sheet microscopy on cleared tissue to show how monovalent secondary reagents based on camelid single-domain antibodies (nanobodies; 2.Nbs) attenuate these artifacts. We demonstrate that monovalent 2.Nbs have four additional advantages: 1) they increase localization accuracy with respect to 2.Abs; 2) they allow direct pre-mixing with 1.Abs before staining, reducing experimental time, and enabling the use of multiple 1.Abs from the same species; 3) they penetrate thick tissues efficiently; and 4) they avoid the artificial clustering seen with 2.Abs both in live and in poorly fixed samples. Altogether, this suggests that 2.Nbs are a valuable alternative to 2.Abs, especially when super-resolution imaging or staining of thick tissue samples are involved.